早期宇宙竟然…很“水”？？？？

周一 · 知古通今|周二 · 牧夫专栏

周三 · 太空探索|周四 · 观测指南

周五 · 深空探测|周六 · 茶余星话|周日 · 视频天象

原作：Nola Taylor Tillman

翻译：刘明睿

校对：刘峰

编排：王璞

后台：朱宸宇

原文链接：https://www.astronomy.com/science/the-first-stars-may-have-flooded-the-early-universe-with-water/

一项发表在《自然▪天文学》上的研究发现，水分子可能早在宇宙形成后的2亿年内就已经出现了。如果将宇宙138亿年寿命折算到1年，2亿年时只想当于新年的第一个星期五。这种作为生命之源的分子或许是在宇宙中最初的恒星凋零时诞生的。该研究还发现，早在最古老的星系出现之前，岩质行星便可以在这些第一代恒星留下的富水环境中形成。

超新星爆发

图源：美国宇航局戈达德太空飞行中心

英国朴茨茅斯大学（Portsmouth University）的丹尼尔▪惠伦（Daniel Whalen）是这项研究的负责人。他和同事发现，这些古老恒星中的超新星爆发产生了大量的水，而后续的恒星和行星就将在它们周围“湿润”的区域中形成。

第一代恒星

大爆炸后，遍布宇宙的氢和氦构成了最早的一批恒星。这些星星并不位于星系中。那时，星系这种结构甚至还未形成。由暗物质在虚空中织起的巨大网状结构上，一根根细丝的交界处，便是这些恒星的所在。气体被此处强大的引力所俘获，不断聚集，直至那些最古老的恒星由此诞生。

这些星星无比庞大，质量甚至能达到太阳的三百倍。但这些巨人的生命灿烂而短暂，极高的温度会让它们激烈地消耗燃料，最后在超新星爆发中壮烈陨落，并将核聚变产生的重元素播撒到远方。

惠伦和同事们用计算机分别模拟了具有13倍和200倍太阳质量的恒星的演化，由它们形成的超新星据说普遍存在于第一代恒星中。“我们一路看着这些原始恒星形成……直至它们爆炸。”惠伦说道。

超新星中的第一类被称作“核心坍缩超新星”（core-collapse supernova），发生在有着至少八到十倍太阳质量的恒星中。随着这些恒星的老化，其核心中的氢元素将逐步耗尽。在那之后，一系列核聚变反应会发生在核心周围一层层如洋葱般的薄壳状结构中，并一步步合成出越来越重的元素。

当最后的元素铁被生成出来后，恒星中的核聚变已无力再提供更多的能量。这之后，一直支撑着恒星的聚变反应会逐渐落败于重力，最终这颗恒星的核心将向内坍缩，直至变成一颗无法再被压缩的中子星。失去支撑的恒星其他部分随之坠落，撞向核心后再反弹，形成一股冲击波。这会导致额外的核聚变发生，并产生比铁更重的元素。

与此同时，核心中的巨大压力会产生中微子，进一步增加反弹物质的能量。最终这会撕裂恒星，将所有物质——包括新形成的金属（天文学家将除氢和氦之外的一切元素都称为金属）——抛向太空，只留下致密的恒星核心。

另一种情况是“对不稳定超新星”（pair-instability supernovae），它只有在质量远超太阳100倍的恒星中才会发生。这些恒星的核心温度如此之高，以至于光子会转变为成对的电子和正电子。但这种能量向物质的转化会使得核心压力骤然降低，导致其猛烈收缩。这个过程释放出的巨大能量将加剧热核反应，最终引发一股将恒星撕裂的冲击波。

惠伦将这种效果形容为一颗巨大氢弹的爆炸。无与伦比的威力会彻底摧毁这颗恒星，就连核心都会被轰至碎片，与所有这颗星星曾存在过的痕迹一同消散在太空中。

一场“对不稳定超新星”爆发释放的能量可高达核心坍缩超新星的100倍。“它们是宇宙中最早的重元素工厂，其能力非同凡响。”惠伦说。

爆炸之后

在超新星爆发之后发生的事更是让研究者们惊叹不已。

在爆炸的第一代恒星周围，还残留着它们自己的氢气。惠伦的模拟显示，引力会将这些残留物聚集成小团块状的结构。随着超新星喷射出的炽热物质向外扩散，这其中包括氧在内的金属元素会与氢的团块混合，使得它们愈发快地在引力下收缩。这些新的的金属还有助于团块冷却，使得氧能够与氢结合并形成水。

但这一过程会因超新星的类型而略有变化。核心坍缩超新星留下的物质流动得相对更平稳些，而爆炸威力更强的对不稳定超新星所喷出的物质运动则更加凶猛，其中强烈的湍流会产生更多的团块，而且由于喷射物移动距离更短，水也形成得明显更快。再者，“对不稳定超新星”中更高的压力和温度会比核心坍缩产生更多的金属，使得这些团块冷却得也更快。

其结果便是水形成所需的时间在两种情况下存在显著差异。核心坍缩超新星在爆炸后约3000万至9000万年内会形成水，而“对不稳定超新星”仅需300万年。

金属元素的含量也是影响水形成的一大因素。据惠伦所说，一颗核心坍缩超新星生成的金属只相当于太阳质量的几十分之一，但“对不稳定超新星”却能产出近乎一百倍太阳质量的金属，包括三十至五十倍太阳质量的氧元素。这能够产生的水要多得多。

核心坍缩超新星周围的团块含水量可比如今银河系中的气体云高出10到30倍，而“对不稳定超新星”能产出的团块含水量更是相比太阳系都只略逊一筹。

由于产生“对不稳定超新星”的恒星质量更大，它们在生命历程上比同类走的更快。这些恒星在堪堪250万年内就能走完从诞生、燃烧到陨落的全过程，而产生核心坍缩超新星的恒星则需要近1200万年来演化。因此，水分子会先在最为巨大的恒星周围萌芽。

第一批行星

不论哪种情形，新的恒星都会从超新星遗留的团块中再度成型。但行星是否也是如此？对于第一代行星会从第一代恒星的残骸中形成的说法，人们尚未达成共识。但有些模拟结果确实表明，这些团块也许就是未来行星的襁褓。

欧洲空间研究与技术中心（European Space Research and Technology Center）的天文学家圭德奥·德·马尔奇（Guideo De Marchi）并未参与这项新研究，但他曾在类似于早期宇宙的低金属丰度（即极少重元素）环境中发现过原行星盘。据他所言，在2003年，哈勃太空望远镜曾在一个金属丰度极低的球状星团中发现了证据，暗示一颗巨大行星的存在。

超新星的类型也有可能影响形成的行星的类型。气态巨行星的外层主要由氢和氦构成，而岩质行星的形成则需要更多的硅酸盐及其他的重元素。相比之下，对不稳定超新星能比核心坍缩超新星产生更多的金属（即更复杂的元素），因此在核心坍缩超新星残骸中诞生的恒星拥有足够的原料来创造类似木星的行星，而岩质行星有更大机率绕着对不稳定超新星的子嗣运行。

而这一切，也许在最古老的星系成型之前就已悄然发生。

我们能看见它们吗？

但别高兴的太早：惠伦和同事们只研究了单颗超新星的爆炸。在宇宙网的细丝交汇处，很可能会有好几颗早期恒星一同形成。这些恒星的强大辐射也许能摧毁刚刚形成的水分子。可与此同时，无处不在的尘埃也可以屏蔽辐射，从而保护水分子。

这两种力量间存在一种“脆弱的平衡”，德·马尔奇如此评论道。但他秉持着乐观的态度：“既然在如小麦哲伦云这样的低金属环境里，我们看到了有水存在的原行星盘，那就说明至少一部分水分可以被保存下来。”

在早期宇宙中寻找水的踪迹仍是一大挑战，找到围绕单一恒星运行的第一代行星亦是如此。哪怕这些古老恒星聚集成团，它们的光芒对现有的观测设备而言也太过暗淡。因此，惠伦的团队正在研究这些富含水的早期恒星和行星作为一个整体会发出怎样的信号。

“早期宇宙中所有（富含水的）恒星和行星……有可能产生一种朦胧的背景发射，”惠伦表示。下一个十年里，智利的阿塔卡马大型毫米波阵列（Atacama Large Millimeter Array）或正在澳大利亚及南非建设中的平方公里阵列（Square Kilometer Array）将有可能接收到这种信号。

责任编辑：DAIKIN

牧夫新媒体编辑部

『天文湿刻』 牧夫出品

微信公众号：astronomycn

超新星

@NASA

谢谢阅读